Immer kleinere Toleranzbereiche in der industriellen Fertigung stellen wachsende Anforderungen an die optische Inspektion und Qualitätssicherung. Neben industriellen Kameras mit immer größeren und höher auflösenden Bildsensoren betrifft dies auch die benötigten Objektive. Um die hochauflösenden Sensoren moderner Kamerasysteme voll auszunutzen, sind Hochleistungsoptiken nötig. Qioptiq, Hersteller solcher Objektive, ist das deutsche Tochterunternehmen von Excelitas Technologies und hat sein Sortiment um ein hochauflösendes Objektiv mit einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis erweitert.

Die Präzision beginnt beim Bau des Objektivs

Bei den hohen Anforderungen im Bereich Machine Vision ist die Fertigung jeder einzelnen Komponente eine Herausforderung. Noch weit kritischer ist jedoch das Zusammenspiel der Komponenten sowie die Montagetechnik und das Justagesystem. Die komplette Prozesskette muss Hand in Hand arbeiten, vom einzelnen Glas über das Optik­design in Kombination mit dem mechanischen Design bis hin zur Fassungs- und Messtechnik. Das Objektiv Linos d.fine HR 2.4/128mm 3.33x von Qioptiq beruht auf einer sogenannten Schmelzrechnung, bei der jedes verbaute Glas ausgemessen und sodann das Optikdesign an die spezifischen Glasschmelzen angepasst wird. Dies ist nötig, da die Toleranzen der Glaskataloglagen zu groß sind, um in der Serienfertigung eine gleichbleibend hohe Abbildungsqualität zu gewährleisten. Zudem ist die Positionierung der Linsen äußerst präzise auf Kippung, Zentrierung und Lage abzustimmen. Qioptiq hat hierfür eine eigene Montagetechnik entwickelt, die die Genauigkeit der üblichen Passspielmontage übertrifft.

Beugungsbegrenzt und fast ohne Verzeichnung

Das Objektiv erreicht eine Auflösung von bis zu 300 Linienpaaren pro mm im ­Objekt. Das HR-Objektiv ist für einen Bildkreis von 82 mm optimiert und eignet sich damit für lange Zeilensensoren (16k/32k) sowie für große Flächensensoren im Mittelformat (101/151 MP). Es bietet eine gute Farbkorrektur und liefert hochaufgelöste, scharfe Bilder, die durch ihren hohen und gleichmäßigen Kontrast über das gesamte Bildfeld für die elektronische Weiterverarbeitung geeignet sind. Der nominelle Wert der Verzeichnung liegt bei weniger als 0,1 Prozent, wodurch Software-seitige Korrekturfunktionen unnötig werden.

Der Arbeitsabstand von 60 – 90mm (je nach eingesetztem Modul) schafft Flexibilität bei der Integration in verschiedene Anlagen und Anwendungen. Zu den Einsatzbereichen gehört die Qualitätskontrolle in der Fertigung von Wafern, Flachbildschirmen, Oleds, Leiterplatten und Glas. Hier müssen große Flächen bei kurzen Taktzeiten gescannt werden, wobei die Toleranzen im Mikrometerbereich liegen. Mit seiner großen Apertur eignet sich das HR-Objektiv dafür und sorgt auch bei schnellen Anwendungen für genügend Licht auf dem Sensor.
Das Objektiv mit 128 mm Brennweite ist auf einen 3,33-fachen Abbildungsmaßstab optimiert, um den Anforderungen der Industrie gerecht zu werden und die Nachfolge des inspec.x L 4/105 3.5x anzutreten. Die Blende von f/2,4, bezogen auf den Abbildungsmaßstab von 3,33x, und die resultierende objektseitige numerische Apertur von 0,13 verschieben die Beugungsgrenze nach oben, was die hohe Auflösung sowie eine große Lichtstärke bewirkt. Dies ermöglicht kurze Belichtungszeiten, hohe Geschwindigkeiten und einen großen Durchsatz in Produktionsprozessen. Zum Vergleich: Die Objektive der Baureihe inspec.x L haben Blenden von f/3,5 oder f/4.

Automatische optische Inspektion mit Flächen- und Zeilenkameras

Das Objektiv Linos d.fine HR 2.4/128mm 3.33x richtet sich an Hersteller von Bildverarbeitungssystemen und voll automatisierten Inspektionsanlagen. Als Standardprodukt ermöglicht es Integratoren, die Entwicklungszeit für ein kundenspezifisches Objektiv einzusparen und die nächste Generation von Inspektionssystemen zügiger auf den Markt zu bringen. Ein großer Vorteil ist, dass sie ein und dasselbe Objektiv für Flächen- und Zeilenkameras verwenden können. Qioptiq bietet zu dem Objektiv auch das nötige Zubehör an: ein Flächenscanmodul und ein Strahlteilerprisma. Beide Module sind genau auf das Objektiv abgestimmt.

Mit dem Prismenmodul lässt sich sehr einfach ein komplettes optisches System aus Objektiv und Beleuchtung für Zeilenscan-Anwendungen konfigurieren. Es ermöglicht eine direkte Lichteinkopplung für eine koaxiale Hellfeldbeleuchtung. Dies ist speziell bei stark reflektierenden Oberflächen nötig, wie zum Beispiel bei Displays oder Wafern. Die Anschlüsse des Objektivs zur Kamera und zum Prisma sind über eine V-Nut realisiert. Dies ermöglicht es, das Prisma beziehungsweise das Objektiv azimutal auszurichten und die Beleuchtung passgenau einzustellen. Die Serie umfasst außerdem Standard-Tubussysteme für eine präzise Fokussierung und Adaption an Industriekameras mit M72-, M90- und M95-Gewinde. Die Gesamtbau­länge von Objektiv und Prismenmodul beträgt 177,1 mm; mit dem Flächenscanmodul sind es 146 mm.

Präzision Made in Germany

Das HR-Objektiv ist das erste aus dem Sortiment der Linos Machine Vision Lenses, das bei einem Abbildungsmaßstab größer 1 Pixelgrößen bis 3,5 µm unterstützt. Vergleichbare inspec.x-L-Objektive sind für 5 µm Pixelgröße optimiert und erreichen theoretisch eine maximale Abbildungsleistung am Sensor von 50 Lp/mm mit 38 Prozent Kontrast bei einer spektralen Verteilung von 420 – 680 nm. Das Linos d.fine HR erreicht diese Werte noch bei 72 Lp/mm über das gesamte Bildfeld von 82 mm.

100-prozentige Prüfung auf Herz und Nieren

Alle Objektive durchlaufen vor der Auslieferung eine 100-prozentige MTF-Prüfung. Die Qualifizierung im Bereich der Umweltanforderungen erfolgte nach den folgenden ISO-Prüfverfahren.

• Temperatur: DIN ISO 9022-10-05-1 / 9022-11-05-1 / 9022-14-03-1
• Stoßfestigkeit: DIN ISO 9022-31-01-0
• Vibrationsfestigkeit: DIN ISO 9022-36-07-1

Demnach ist voll gewährleistet, dass die Industrieobjektive von Qioptiq die nötige Robustheit aufweisen, um Transport und Lagerung unbeschadet zu überstehen und in rauen industriellen Umgebungen langlebig zuverlässig ihren Zweck zu erfüllen. 

Objektivfinder für industrielle Bildverarbeitung

Qioptiq stellt für die Auswahl des richtigen Objektivs die Software Machvis zur Verfügung. Die kostenfreie Software, die unter www.excelitas.com/product/machvis-lens-configurator zum Download bereitsteht, errechnet aus den vier Angaben Objektgröße, Arbeitsabstand, Sensorgröße und Kameraanschluss die nötigen optischen Parameter und schlägt passende Objektive sowie die nötigen Mechanikkomponenten aus dem Linos-Machine-Vision-Sortiment vor. 

Autoren
Arthur Stauder, Product Manager / Application Engineer, Imaging Optics bei Qioptiq
Alexandra Gärtner, Application Engineer, Imaging Optics bei Qioptiq